多尺度的城市生态网络构建方法 以合肥市主城区生态网络规划为例Word文档格式.docx

多尺度的城市生态网络构建方法 以合肥市主城区生态网络规划为例Word文档格式.docx

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图1 

我国大城市主要的两种生态空间结构模式示意图

资料来源:

《上海市城市总体规划（2017—2035年）》《深圳市城市总体规划（2010—2020年）》

结构模式法避免了对复杂的生态活动过程进行逐一分析，而是基于空间层面，从空间结构、形态的角度开展网络构建，其过程清晰简洁，结论明确。

相比于其他生态网络构建方法，结构模式法更加强调人工干预，如城市绿环就是完全人工化的生态构建要素，是规划设计人员和城市管理人员“主动”塑造、优化城市空间格局的可行技术途径。

但该方法也存在以下几个方面的不足:

其一，该方法适用于城市总体生态格局的塑造，但是对于城市内部生态网络的进一步细分缺乏有效指导；

其二，该方法主观性较强，空间结构模式的选取和环、楔、廊等要素的确定较为依赖于规划设计人员的专业素养，缺乏明确、客观的标准;

其三，该方法主要基于生态敏感性的高低来判别生态要素的重要程度，并未考虑到生态要素在网络拓扑结构中的连通作用。

1.2格局—过程法

格局—过程法源自生态安全格局构建。

俞孔坚等人认为通过对景观过程（包括城市扩张、物种迁移、风水流动和灾害扩散等）的分析与模拟，可以判别出对景观过程安全与健康具有关键意义的景观元素、空间位置及空间联系，这种关键性元素、战略位置和联系所形成的格局就是生态安全格局。

格局—过程法以景观生态学中的景观和过程相互作用机制为理论基础，在实际运用中多从单一景观过程的安全格局入手，再进行叠加处理形成综合生态安全格局。

例如，苏泳娴等人在针对佛山市高明区的生态安全格局研究中，构建了水安全格局、地质灾害安全格局、大气安全格局、生物保护安全格局和农田安全格局，再进行叠加处理形成综合生态安全格局。

格局—过程法被广泛应用于城市空间发展预景、禁建区和绿地系统构建及城市风貌规划等方面。

相比于结构模式法，格局—过程法的分析过程、结论更加客观和可量化，但是需要指出的是，该方法实质上是一种被动适应、底线式的宏观生态系统管理，其潜在逻辑是城市空间拓展只要不触及生态安全格局，都是可接受的。

总体而言，该方法更加强调的是一种“先底后图”的底线思维，而非“主动为之”的网络构建。

1.3网络分析法

网络分析是运筹学的一个分支，主要运用图论方法研究各类网络的结构及其优化问题。

运用网络分析法开展生态网络构建是将生态斑块抽象为点，将生态廊道抽象为线，从而将整个生态网络简化为点线构成的网络。

根据图论方法，网络分为分枝网络和环形网络两种类型，并采用γ指数（网络连接度）、α指数（网络闭合度）、β指数（线点率）及成本比等指标对不同网络进行量化比较（表1）。

表1 

网络评价主要指标

网络分析法的优点在于运用图论方法将现实世界中纷繁复杂的生态系统简化为点线构成的网络，使研究人员能深入认识到网络的结构性特征，而一系列的指标也为生态网络的评价提供了可量化的标准。

但是网络分析法也存在一定的局限:

其一，该方法将所有的斑块、廊道都视为均质化的点线，忽略了不同斑块、不同廊道在生态重要性和服务价值上的差异;

其二，该方法关注的是整体层面网络结构的合理性，侧重于对结果的定量评价，但是对于网络构建过程并未提出清晰的技术路径，尤其是在识别、提取潜在廊道时，需要研究人员依靠自己的主观判断来不断模拟试验，效率较低且主观性较强。

1.4源地—廊道法

源地—廊道法是通过识别、提取生态源地和生态廊道的方式构建生态网络。

该方法首先采用生态敏感性、景观连通性等指标筛选出生态源地，其次在生态源地之间通过最小累积阻力模型提取出生态廊道。

近年来，为了克服传统源地—廊道法在生态源地选择上的主观性及对于现状结构性廊道的忽略，发展出一种基于形态学空间格局分析（MSPA）与最小耗费路径分析方法相结合的技术路径（图2）。

MSPA将研究范围的用地划分为前景（各类生态用地，如林地、水域、湿地等）和背景（其他用地），并处理成二值图，然后采用Guidos软件进行分析，生成基于MSPA的景观类型图，包含核心区、孤岛、孔隙、边缘区、环道、桥接区和分支7种类型（图3）。

图2基于MSPA和最小耗费路径的生态网络构建步骤示意图

图3MSPA景观类型分类图

源地—廊道法在生态网络研究中得到了广泛应用，尤其在欧美国家，采用MSPA与最小耗费路径分析方法开展生物多样性保护，是主流的研究方法之一。

但我国与欧美国家在生态保护中面临的主要矛盾有着较大差异。

欧美国家的城镇化相对稳定，生态网络构建的主要目标是生境的恢复和可持续能力的提升;

而我国的城镇化仍有较大增长空间，在生态网络构建中关注的目标更加多元化，仅仅依靠源地—廊道法并不能实现诸如保障生态安全、改善人居环境等多重目标。

2 

基于多尺度的城市生态网络构建的重点问题与基本思路

2.1 

城市生态网络构建的重点问题

既有城市生态网络构建方法由于提出者的学科背景、关注重点不同，其各有适用范围（表2）。

本文的目的在于融合既有方法的优点，形成一套可复制且适合我国城市发展阶段特征的技术方法。

通过对既有方法的比较，笔者认为需要重点厘清以下问题。

表2既有生态网络构建方法比较

2.1.1转变城市生态网络构建的策略

总结既有生态网络构建方法，发现这些方法实际上包含了两种策略：

一种是底线防御式，即通过划定生态底线空间，并将现有的生态空间进行连通、整合以形成网络，其本质是基于现状生态空间资源的被动式保护；

另一种则更具有“主动性”，按照生态优先的原则，积极新增斑块、廊道，主动干预、影响城市空间，以引导城市空间向着更加生态化的方向发展。

在以经济建设为中心的阶段，生态保护处于相对弱势的地位，这也导致在各类规划中往往采取底线防御的方式构建生态网络，以保住基本生态空间。

当前，随着生态文明建设的深入推进，以及人民群众对于美好生活的向往，社会公众已不仅仅满足于基本的生态空间供给，而对其均衡性、连通性及环境品质有着更高的追求。

因此，现阶段生态网络的构建策略应逐步转向主动干预，以一种更加积极的姿态去主动影响、塑造城市生态空间。

2.1.2明确城市生态网络构建的目标优先级

构建城市生态网络实际上是在处理3个方面的问题，即城市外部生态空间的保护、城市内部生态空间的改善及城市内外生态空间的沟通。

在处理具体问题时，目标优先级会有所差异，如面向城市外部生态空间的保护，其首要目标是保障生态安全和保护生物多样性；

面向城市内部生态空间的改善，则改善人居环境、提供休闲游憩场所的优先级更高；

面向城市内外生态空间的沟通，改善人居环境及保护生物多样性则更为重要。

不同的目标优先级会带来构建方法的差异。

例如，面向城市内部生态空间的改善，采用当前主流的最小阻力模型构建生态廊道，主要是从生物迁移的角度筛选、提取出空间阻力较小的廊道，但是对于改善人居环境、提供休闲游憩场所这一优先目标而言，廊道构建更多考虑的是均衡性、共享性。

2.1.3关注城市生态网络构建的尺度效应

在处理城市生态网络所面临的3个问题时，需要从不同的空间尺度展开研究。

面对城市外部生态空间的保护，需要统筹考虑城市及其周边空间的生态安全格局，因此需要从区域尺度进行探讨；

面对城市内部生态空间的改善，则更多从城市尺度展开，同时考虑到目前我国大城市大多采用“组团化”的空间结构，因此还需从组团尺度开展研究；

而面对城市内外生态空间的沟通，则涉及内外两个层面，因此需要从区域和城市两个尺度同时开展研究。

2.2 

城市生态网络构建的基本思路

2.2.1区域尺度:

确定生态空间的总体结构

在区域尺度开展生态网络构建的重点在于确定生态空间的总体结构，明确城市外部需要重点保护的生态空间，打通城市内外生态空间的连通，从而奠定城市生态网络构建的基本框架。

首先，系统梳理本地的生态本底资源；

其次，采用格局—过程法和源地—廊道法提取出区域范围内重要的生态源地、廊道；

最后，采用结构模式法设定城市生态空间结构，突出人工主动干预，通过提前预控生态空间，引导城市空间向着绿色、可持续的方向发展。

同时，为了减少在环、楔、廊等结构要素选取上的主观性，可以借助MSPA量化斑块、廊道的重要性和连通性。

2.2.2城市尺度:

塑造“多组团、多中心”的空间形态

城市作为人工化的地理景观单元，内部人工干预程度较高，从生态过程的角度推演所需生态空间，往往难成系统。

同时，城市内部生态网络构建的优先目标是改善人居环境和提供休闲游憩场所。

因此，在城市尺度需要回归到空间层面，探讨城市内部到底需要一个什么样的符合生态理念的空间形态。

目前学界的主流观点是“多组团、多中心”是较为理想的空间形态。

在多组团方面，通过提取铁路、河流、高速公路和高压廊道等隔离性较强的线性廊道来划分城市组团，局部缺少线性廊道的区域可以通过增设人工绿化廊道进行划分。

在多中心方面，对生态斑块的分布进行均衡性分析，并针对性地优化完善生态斑块布局。

2.2.3组团尺度:

构建均衡化的网络格局

在组团尺度构建生态网络涉及研究深度的问题。

本文总体而言是基于总体规划层面开展的，研究目标是城市生态网络整体上的均衡、连通，对应到组团，即保证每个组团在网络结构上都处于相对均衡的水平。

至于对组团内部斑块、廊道的研究，可以在分区规划、单元规划层面继续深化，本文限于篇幅不作讨论。

在“多组团、多中心”的空间形态下，由于廊道的分割，每个组团都形成了相对独立的网络结构。

因此，可以采用网络分析法对组团进行定量评价，筛选出网络指数较低的组团，并进行针对性的网络优化，从而实现城市整体层面生态网络的均衡（图4）。

图4 

基于多尺度的城市生态网络构建思路图

3 

合肥市主城区生态网络规划

3.1研究区域概况

本文研究的区域为合肥市主城区范围，包括市区及周边三县（肥东县、肥西县、长丰县），总面积为2661km²

（图5）。

该区域属亚热带湿润季风气候，四季分明、气候温和，年平均气温为16.2°

C。

江淮分水岭在主城区北部自西北—东南方向穿过，地势西北高、东南低，呈岗冲起伏的丘陵地貌。

现状生态空间主要集中在城市外围，包括紫蓬山、浮槎山、巢湖，以及由董铺水库和大房郢水库构成的城市水源地;

城市内部生态空间以点状的城市公园为主，贯穿城市的河流是城市内外生态空间连通的主要通道。

图5合肥市主城区范围示意图

《合肥市新型城镇化规划（2015—2020年）》。

3.2 

数据来源及预处理

本文采用的主要数据为合肥市域2018年土地变更调查数据（GIS格式）及主城区用地现状图（CAD格式）。

由于土地变更调查数据中对城市建设用地不再进一步细分，无法识别城市建设用地内具有生态价值的用地，如公园绿地、防护绿地等。

因此，首先将城市用地现状图转换为Shapefile数据文件，并在GIS中进行坐标转换、配准。

其次将土地变更调查数据中的城市建设用地数据替换为主城区用地现状图数据（图6）。

图6合肥市主城区生态空间现状图

3.3合肥市主城区生态网络构建

3.3.1区域尺度

鉴于数据的可获取性及对于主城区周边生态要素的初步判断，在区域尺度选择市域范围作为研究的基础。

通过对市域范围生态安全格局的分析，明确主城区生态空间的总体结构。

（1）构建生态安全综合格局。

选取水安全格局、地质灾害安全格局、生物多样性安全格局作为子格局。

水安全格局中主要采用水文资源分析、洪水淹没分析及饮用水源分析。

水文资源分析是通过提取区域范围内主要的河流、水库、湖泊及湿地等水文资源，依据距离水文资源的空间距离，按照30m、50m、100m、200m建立缓冲区，形成不同等级的安全水平空间。

洪水淹没分析是基于网格“雨量体积法”的暴雨洪水淹没情景模拟方法进行洪涝灾害风险的评估，识别出不同雨量下的潜在淹没区。

根据合肥市多年平均降水量，本文选取6.18m、8m、9.62m、11.52m作为阈值，形成不同等级的安全水平空间。

饮用水源分析则是提取区域范围内的饮用水源地，包括董铺水库、大房郢水库和果园山水库等，按照一级水源地、二级水源地及二级水源地外扩200m形成不同等级的安全水平空间。

地质灾害安全格局主要分析区域范围内面临的主要地质灾害活动，包括浮槎山—巢湖—牛王寨方向的郯庐断裂带、银屏山、岠幛山、紫蓬山等山区潜在的泥石流风险及巢湖沿岸的崩岸带等。

生物多样性安全格局采用MSPA和最小耗费路径分析方法。

首先将市域土地利用图转化为二值图，前景为生态用地、背景为其他用地;

其次使用Guidos软件将二值图转为MSPA景观类型图;

再次根据Conefor测算斑块的连通性，选择连通性（PC）>

0.1的斑块作为生态源来构建潜在生态廊道，同时依据不同土地利用类型的景观阻力值不同，生成市域总消费面，采用GIS中的最小耗费路径分析方法生成潜在廊道;

最后运用重力模型分析不同生态源地之间的作用强度，从而筛选出较为重要的潜在廊道，并结合现有结构性廊道共同构成市域生物多样性安全格局（图7）。

图7市域生物多样性安全格局构建示意图

对3个子格局进行叠加处理形成市域范围内的综合生态安全格局（图8），其中主城区范围内的低安全水平空间主要为巢湖、大圩湿地、紫蓬山、董铺水库和大房郢水库等。

图8市域综合生态安全格局图

（2）确定生态空间的总体结构。

由于合肥市地处江淮平原，地势总体较为平坦，城市拓展以圈层蔓延式为主，因此选择楔环放射模式作为生态空间的基本结构。

在生态绿楔的选取上，遵循以下3个原则:

斑块面积较大，且生态安全处于低或较低水平;

斑块连通性高，在网络结构中处于重要地位；

斑块位于城市边缘，且与城市建设空间呈现“咬合”关系，具有较好的渗透性。

按照上述3个原则，基于综合生态安全格局、MSPA及对于斑块空间形态的人工判读，选取出董铺水库—大房郢水库绿楔、紫蓬山绿楔及巢湖—大圩湿地绿楔。

在生态绿环的选取上，明确绿环具有两个方面的主要作用:

阻隔城市近域蔓延及连通城市外部主要生态源地。

当前，我国大城市主要依托绕城高速公路的防护绿地构建绿环。

因此，首先将绕城高速公路叠加到主城区综合生态安全格局上（图9），可以发现北绕城高速公路—东绕城高速公路防护绿地可以将董铺水库—大房郢水库绿楔、众兴水库、浮槎山山脉及巢湖—大圩湿地绿楔连通。

同时，当前城市建设也正在逼近北绕城高速公路和东绕城高速公路，以此构建绿环可以起到较好的阻隔作用。

但西南、东南方向，城市建设已经跨越高速公路，所以该段绕城高速公路无法发挥绿环的作用。

本文以西南方向的紫蓬山绿楔为源地，采用最小耗费路径分析方法，分别构建其与巢湖—大圩湿地绿楔和董铺水库—大房郢水库绿楔的生态廊道，并以此作为西南、东南方向的绿环。

其中，在构建消费面时纳入规划建设用地，从而避免生成的最小耗费路径从集中建设区内部穿越，保证生态绿环能够最大程度地包围住城市建设空间。

最终形成由北绕城高速公路防护绿地—东绕城高速公路防护绿地—浮槎山山脉—巢湖—蒋口河—紫蓬山—江淮分水岭—董铺水库—大房郢水库构成的生态绿环。

图9主城区综合生态安全格局叠加绕城高速公路示意图

在生态廊道的选取上，首先需要明确区域尺度下生态廊道的主要作用在于连通城市内外的生态空间，形成内外生态流沟通的主要通道。

合肥市主城区以东南风向为主导风向，此外地势西北高、东南低，水系自江淮分水岭东南向汇入巢湖。

因此，西北—东南向是主城区内外生态流沟通的主要方向，也主要在该方向上选择生态廊道。

依据廊道的生态安全水平及所能连通的斑块的数量和重要性，选取江淮运河、十五里河—绕城高速公路、南淝河、板桥河—淮南铁路作为主要的生态廊道。

依据对生态绿楔、生态绿环及生态廊道的提取，最终形成主城区“一环、三楔、四廊”的生态网络总体结构（图10）。

图10主城区生态网络总体结构图

3.3.2城市尺度

（1）构建多组团的空间形态。

首先，通过主城区生态网络总体结构中的4条一级生态廊道对城市空间进行切割，形成了5个较大的空间组团。

其中，南淝河廊道由于在老城区段两侧建设较为密集，已不具备组团隔离的作用，因此仅选取东二环以下段作为组团隔离廊道。

其次，引入阻隔性较强的高速公路、铁路等交通廊道进一步细分组团（图11）。

从图11-3中可以看出，经过高速公路及铁路的划分后，组团化的空间形态已经基本形成，但是局部存在划分过小和过大的问题，如02-4组团过小，不及1km²

；

03-4、03-5组团的划分则过于细长，不利于组团内各项功能的展开;

而03-2、04-1组团则规模过大，均达到了150km²

。

因此，将02-4和02-5组团、03-4和03-5组团进行整合，而对于03-2、04-1组团则进一步引入市政廊道、河流和人工廊道等线型要素对组团进行划分，最终形成图11-4的组团形态，每个组团平均规模约35km²

，基本符合产城融合、尺度适宜的标准。

图11多组团空间形态构建示意图

（2）构建多中心的空间形态。

对主城区范围内的生态斑块进行分级，以斑块面积及连通性作为主要指标，采用自然间断点分级法，提取S（斑块面积）≥3km²

、PC（连通性）≥2.0的作为一级斑块;

3km2>

S≥50hm²

、PC 

≥0.5的作为二级斑块。

一级斑块面积大、服务范围广、具有高度的连通性，在生态网络构建中发挥着结构性作用。

二级斑块以服务均衡为目标，力求实现城市建设用地的生态服务全覆盖。

参照《城市绿地规划标准（GB/T51346—2019）》，以3km为二级斑块的服务半径，进行覆盖分析（图12）。

图12一级、二级斑块分布图

根据分析结果，生态服务未覆盖的区域主要为工业园区，考虑到工业园区对于绿地斑块的使用需求较小，近期建设的可操作性较低，且其更新转型具有一定的不确定性。

因此，采用具有触发机制的指标控制，即当未覆盖范围内的居住用地比例大于25%时，要求在分区规划、单元规划中选取合适位置规划1处城市综合公园。

3.3.3组团尺度

组团尺度是以组团作为评估和优化单元，保证城市整体层面每个组团均形成一个相对均衡的网络格局。

本文首先在现状底图上叠加规划的绿地廊道、公园，以面积大于5hm²

的绿地斑块作为节点，形成生态网络的拓扑图。

其次进行定量评价，一般采用γ指数（网络连接度）、α指数（网络闭合度）、β指数（线点率）。

但以上指数仅关注生态网络的结构特征，忽略了生态网络的规模特征。

因此，本文增加了ρ指数（廊道密度）的分析。

采用层次分析法和专家打分法分别赋予各指数不同的权重，并对组团进行综合评价（表3）。

表3各组团网络结构指数综合得分

按照上述步骤，筛选出综合得分低于0.40的组团（03-2、01-2、03-4、04-1、02-4、04-3）作为优化提升的对象，并通过加密生态廊道的方式，提升组团内生态网络的各项指标。

增加生态廊道首先选取现状PC（连通性）较低的斑块，其次建立消费面模型评估其与其他生态斑块、廊道之间连通的成本，最后选择耗费成本最小的路径构建生态廊道。

这其中确定不同用地的阻力值并建立消费面模型是该方法的关键，生态意义上的用地阻力值是指物种在不同景观单元之间进行迁移的难易程度，它与生境的适宜程度呈反相关。

但对于集中建设区内而言，生态廊道的作用更多在于其能够提供休闲游憩场所，廊道构建的可实施性比生境的适宜程度更加重要。

因此，此处笔者提出该消费面中的用地阻力值代表地块现有功能或者规划功能转换为绿地的难易程度。

例如，现状城中村、老工业区因为更新改造机会更大，所以相比新建的商品住宅小区、大型公共服务设施更易在规划中转变为城市绿地或其他开敞空间，因此其阻力值较低。

基于上述思路，设定不同建设用地类型的阻力值，对现状用地和规划用地分别生成消费面，再进行叠加处理，形成最终的消费面，并生成最短路径（图13，图14）。

但因为该最短路径完全是基于消费面模型生成的，线型往往曲折，所以还需进行适当的人工修正，使之尽量沿城市道路、河流走向，便于规划建设。

图13集中建设区内消费面模型示意图

《合肥市主城区生态网络规划》。

图14组团生态网络优化图

4结语

本文从不同空间尺度入手系统构建城市生态网络。

在区域尺度，基于生态安全格局的分析，结合城市所处地理环境特征，选择适合的生态空间结构模式，并借助MSPA选取生态绿环、生态绿楔及一级生态廊道。

在城市尺度，引入铁路、高速公路、河流和市政廊道等二级生态廊道，将城市划分为若干组团，并通过一级生态斑块、二级生态斑块的均衡布局，构建“多组团、多中心”的空间形态。

在组团尺度，在相关结构指数、规模指数定量评价的基础上，采用最小耗费路径分析方法对指数较低的组团进行优化提升。

通过上述3个尺度的逐步深化，最终形成城市生态网络（图15）。

图15合肥市主城区生态网络规划图

关于生态网络的研究一直是城乡规划学和景观生态学关注的热点，两个学科基于自身专业背景都做了大量积极探索。

总体而言，城乡规划学在生态网络构建中更偏重于规划实践，主要以空间作为切入视角，关注生态空间的结构模型；

景观生态学则更偏重于学术研究，主要以生态作为切入视角，关注生态活动过程的规律特征。

本文汲取两个学科的研究优势，尝试建立一套系统性的生态网络构建方法。

该方法的优点在于，以“主动干预”为基本策略，以生态空间引导、塑造城市空间，回应了生态文明建设的时代诉求。

在技术方法上，整合了生态过程和空间模型两类技术方法，提供了一套具有较强可操作性、可复制性、以定量化为主的技术路径，增加了城市生态网络构建的科学性、合理性（图16）。

图16多尺度的城市生态网络构建技术路线示意图

囿于数据的可获取性，本文在指标因子选取上并不全面，如在生态安全格局研究中